高频机和工频机的对比.docx
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高频机和工频机的对比
高频机和工频机的概述
一、工频机UPS和高频机UPS的发展
对于UPS的发展历史，最开始的UPS类型有旋转发电机式和静止变换式。
静止变换式工频机结构UPS技术出现在上个世纪70年代，比旋转发电机式晚一些，随着几十年间电力电子学的发展以及电力电子功率元器件的技术不断革新。
UPS的无论从控制技术，成本控制，功率容量大小，拓扑技术等都有翻天覆地的变化。
一般说任何技术的先进性是相对而言，任何先进的产品也有其一定的适用期。
以UPS服务的IT服务器为例，随着IT新技术的涌现，包括目前主流IT厂商提到的服务器、存储虚拟化技术，云计算等，IT产品的新旧替换代表着技术发展的方向。
对于UPS行业，近年工频机UPS逐渐暴露出它的缺点，比如体积大、重量大、功耗大和输入功率因数低等不利因素大大影响了建设和改造数据中心的灵活性，可用性。
目前UPS发展的方向朝高频化、小型化、智能化和环保化。
因为小型化有节省投资、提高效率、节约空间等优点。
小型化的前提是高频化，只有高频化才可以实现小型化。
小型化的第一个目标就是取消输入/输出隔离变压器。
以前由于技术、器件和材料的原因，UPS配有输入/输出隔离变压器，如此导致产品笨重、性能差、耗能大和价格贵。
后来由于新器件的问世，在1980年由美国IPM公司首先推出的新方案成功地取消了输入隔离变压器，近几年又由于技术的进一步发展和成熟，推出了新的逆变器变换方案，又成功地取消了输出隔离变压器，使UPS的性能有了很大程度的提高，这就是人们所说的高频型UPS。
这种UPS的整流器工作采用IGBT整流，开关频率不再是市电工频50Hz，而是高频5kHz-20kHz，并且功率因数高达0.99以上，输入不需要增加滤波器。
高频机进一步使UPS缩小了体积、改善了性能、减轻了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。
所以国际上的多数UPS厂商放弃了带有输出隔离变压器UPS的生产，改为生产高频型UPS。
目前市场上所谓的工频整流型UPS已逐渐减少。
二、工频机的结构
传统的工频机UPS，整流器采用可控硅整流技术，主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。
通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。
由于SCR属于半控器件，控制系统只能够控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为零之后才能自然关断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断控制。
1）为什么工频机前端要配置滤波器
正是由于可控硅是半控型器件，对导通角的大小控制，会造成输入功率因数降低，并且输入的谐波很大。
这也是为什么对于可控硅整流的UPS，都需要配置滤波器的缘故。
2）为什么工频机要配置变压器
对于工频UPS，由于SCR整流器属于降压整流，这样才能满足对电网电压变化范围的要求，因此造成直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低，要使输出相电压能够得到恒定的220V电压，就必须在逆变输出增加升压变压器。
3）6脉冲和12脉冲整流
目前厂商生产的工频机主要有两种，分别是6脉冲整流和12脉冲整流。
早期的IT设备供电电源多为单相220V，如果用电设备是电阻负载，其上面的电流和电压波形是连续的，如图2中的左边波形。
但一般IT设备又有内部自备电源，这些电源的输入都是一个整流滤波器，使得电流呈脉冲状，使得对应脉冲电流的电压波形部分出现了失真，如图2的中间波形就是单相整流时的破坏情况，这时的输入功率因数只有0.6~0.7。
但如果能够将中间图形中的一个大电流脉冲变成布满整个半周的小电流脉冲，也就相当于与电压同相的连续电流了，此时的电压波形就几乎没有失真了，如图中的右图所示，此时的输入功率因数九可以接近于1。
一般单相小功率UPS即使对电网有破坏，也不会造成大的损失，原因是功率不大。
最严重的是三项大功率UPS，比如100~400kVA，目前一般标配都是所谓6脉冲结构输入整流器，如图3（a）所示。
图（b）是这种电路破坏输入电压波形的一种情况。
尽管如此，但它比单相时好多了输入功率因数可达0.8，原因是它将单相时的每半周一个脉冲增到3个，如图3（e）的“6脉冲整流电流输入波形”所示。
但此时如果前面配置发电机还是需要3比1的容量，即发电机的容量至少要3倍于UPS。
而且谐波电流也达到30%，对外干扰严重，所以很多用户提出了输入功率因数大于0.9的要求。
为了这个目的不得不再增加半周内整流脉冲的数量，最简单的方法是将6脉冲增加到12脉冲，这就需要再增加和原UPS上一模一样的一个6脉冲整流器、一个移相变压器和相应的无源滤波网络。
可以看出，造价也增加了不少。
有的也尝试增加到18脉冲和24脉冲…但这样做既不经济也带来好多麻烦，比如效率降低很多、功耗大幅度增加、体积越来越庞大和价格越来越高，而效果并不是想象的那样好。
于是就陷入了困境。
在UPS领域，梅兰日兰可谓是12脉冲整流器应用的先驱。
早在1976年，梅兰日兰推出的第二代大功率全可控硅UPS（可控硅整流器－可控硅逆变器－可控硅静态开关）――Alpase3000系列中，就已经开始使用了12脉冲整流器。
在1981年11月，梅兰日兰在法国、欧共体和美国还同时注册了专利（FR2517489-EP0080925-US449812），专利标题为“由两个Graetz整流桥组成的、可抑制电网中5、7次谐波电流的12相可控硅静态变换器”【原文为：
Staticconverterwithelectricvalvescomprisingatwelve-phaseconnectionwithtwoGraetzbridgesforthesuppressionofharmonics5and7ofnetworkcurrent】。
随后，梅兰日兰便积极地将这一专利技术应用于自己的多项产品中，包括：
⏹1983年的Alpase4000系列，30－600KVA；
⏹1989年的EPS5000系列，60－800KVA；
⏹1993年的Galaxy（达林顿晶体管）系列，40－300KVA。
从1997年推出GalaxyPW机型以后，梅兰日兰取消了12脉冲整流器作为选件在新机型中的应用。
主要原因是：
应用微处理器控制器和数字信号处理器DSP以及大功率IGBT等新技术开发的新产品——有源谐波调节器SineWaveTM和有源滤波器THM诞生了，它们具有比以往任何一种谐波解决方案都更加完美的特性；另外的一个原因就是：
国际上新的谐波标准IEC61000-3-4的诞生，使得12脉冲整流器已经不能满足该标准的基本要求，包括无源LC滤波器，也就是说12脉冲整流器已经落伍了。
4）12脉冲整流器的基本工作原理
在一个基本6脉冲整流器（超前）的基础上利用利用单绕组输入/双绕组输出的变压器产生滞后30度的移相电压，再送入另一整流器（滞后整流器，参见以下左图），使得两个整流器产生的直流并联，从而在UPS的电源输入端上的总输入电流:
彻底消除5次和7次谐波对电网的影响，其电流波形见以下右图。
5）12脉冲整流器的分析
优点
12脉冲整流器基本消除了5次谐波（衰减率10倍以上）、部分地消除了7次谐波（衰减率2倍）对电网的注入影响，使得UPS对上线电网的谐波污染（总电流失真度THDI）衰减了约2倍。
缺点
谐波抑制效果较差：
按照国际标准IEC61000-3-4的谐波标准（参见下表），12脉冲整流器的总电流谐波失真度为10％，满足该标准，但单次谐波H11、H13均超过标准数值的两倍以上，甚至比原6脉冲整流器的H11、H13还要大；在一些特殊场合，只能采用12脉冲整流器＋H11次无源滤波器的方法，但其结果甚至于还不如6脉冲整流器＋无源滤波器的效果；
低负载率时效果很差：
UPS大多数情况下运行在60～70％的负载率，特别是当UPS为1＋1冗余并联时，每台UPS的负载率仅在30～40％左右，12脉冲整流器的THDI约等于20％，即使采用12脉冲整流器+H11次滤波器，也仍然在15%左右，还不如6脉冲整流器＋无源滤波器的结果（参见图）；
系统效率损失较大：
假如以6脉冲整流器的效率为单位1，则12脉冲整流器的采用将降低系统效率的2～3％；而普通LC滤波器仅降低1％左右，这就是LC低通滤波器至今仍然在沿用的一个原因；
价格较高：
假如以6脉冲整流器的UPS标准价为单位1，则12脉冲整流器需增加20％（内置，但大容量时可能不能内置）到30％（独立机柜外置）；而普通LC滤波器仅需增加10％（内置）到20％（外置），这也正是LC低通滤波器至今仍然在采用的主要原因；
可靠性低：
由于12脉冲整流器是由2个6脉冲整流器串连或并联组成的，因此部件增多，反而增加了UPS本身的故障点，降低了UPS系统的可靠性，对整个负载系统的供电不利；
安全性差：
12脉冲整流器是串连连接到UPS系统中的（与LC滤波器相同），而MGE推出的THM与UPS是并联连接到电网与负载之间的，因此安全性较高，不会由于THM的故障造成整个UPS系统的供电故障；
与发电机匹配差：
在一些配发电机的大型用户现场，采用12脉冲整流器后，UPS和发电机的匹配不是最佳的，即发电机的容量将需要配得较大，有时需要2.5～3倍。
6）厂商12脉冲整流器的分析
三种不同形式的12脉冲整流器
完全隔离式（标准型）
半隔离式（经济型）
自偶变压器移相式（并机型）
这是三种不同形式的12脉冲整流器，不同的生产厂家可提供不同的应用方式。
对于艾默生的Hipulse系列UPS，艾默生采用的12脉冲整流器是一种“偷工减料”的方式，即在主电路上，只对一半的6脉冲整流器起到了隔离和移相的作用，变压器的容量通常只有：
PNx1.25/2=0.625PN
7）隔离变压器的误区
7.1隔离功能
市面上厂家宣传工频机隔离变压器优于高频机的好处有隔离变压器可以实现隔离功能使得零地电压降低。
目前几乎所有的UPS厂商无论是高频机或是工频机的主路输入都是三相三线制，而旁路采用三相四线制。
以艾默生的Hipulse工频机和梅兰日兰的Galaxy5000高频机为例：
UPS的输出需要跟踪旁路市电频率，相位，并且对旁路市电的电压范围进行检测。
这样做才能保证当输出由主路切旁路能够无间断进行。
同时，UPS开启的时候，必先要开启旁路一段时间后，才能启动逆变器。
这就意味着，UPS旁路的零线必须要和输出隔离变压器的零线相接，也就是说，UPS输出的隔离变压器并不能真正隔离零地电压。
根据最新的《国家建筑标准设计图集》，对隔离变压器在机房的应用，应在UPS后再加一个隔离变压器重新生成新的零线和前面隔离。
如下图所示：
通过上图所示，即使工频UPS，其输入的零线和输出隔离变压器的零线相通，而真正的隔离变压器安装在UPS输出端的列头柜内，形成真正的前端零线和后端零线隔离。
有些用户提到高频机的零地电压低，那么产生零地电压高的原因并不是高频机拓扑结构引起的，而是由以下原因造成。
A.三相不平衡导致中线电流较大
B.整个配电系统没有采用TNS系统，即负载零线和地线相接
C.负载谐波较大，造成中线电流较大
D.UPS的输出电缆到IT设备之间距离较远，造成电缆上压降增加。
7.2隔离变压器抗冲击能力
工频机的输出变压器并没有隔离干扰和缓冲负载突变的功能，因为变压器的初级和次级之间都有绝缘层，因此就构成了一个具有一定容量的等效电容C，电容的容抗和频率成反比，即Xc＝1/2πFC（欧），F：
是干扰信号的频率，C：
分布电容，从中可以看出，频率越高，容抗越小，电容通路就越容易被电流穿过，一般干扰信号的频率都是较高的，很容易去干扰变压器，如果是较低频率的干扰就按变压器的变比来影响负载，因此负载产生的冲击电流或高频干扰等都会通过变压器进入逆变器。
正因为变压器并不抗干扰，所以几乎所有的UPS厂家都在输出端加装输出滤波器。
8）IGBT+PFC整流器
IGBT在UPS中的应用最早只限于逆变器。
这主要是因为虽然IGBT的电流虽然做得比较大，但耐压等级尚不足对付变化很大的输入电压范围，这一拖就是十多年。
经过这十多年的发展，IGBT制造技术也有了长足的进步，几经改进，已经达到了用于UPS整流器的条件。
有人担心IGBT的可靠性问题，实际上现在的IGBT可靠性比起当年第一代全可控硅UPS来情况好多了，那时的整流器和逆变器都是可控硅器件，而当时的可控硅的水平很原始。
不可忽视这几十年的发展，当年的可控硅可以说是在平地上起步的，而现在的IGBT是在积累了几十年经验的基础上发展起来的，二者的基础有本质的区别。
具有IGBT整流器的高频机结构UPS在有的厂家已是成熟的技术和成熟的产品，并已被指定为军用产品。
由于市场的竞争规律所致，只是一个推广的时间问题。
目前在国内几百千伏安的全IGBT结构UPS在金融、在电信、在部队、在科研、在奥运村等很多地方正在服务运行，要正视这个现实，切不可忘言“具有IGBT整流的UPS目前只有100kVA以下才是成熟的”这种结论性的话。
甚至有的人把可靠性与先进性对立起来看，说什么：
要可靠就用12脉冲整流，要先进就用IGBT整流。
就好像先进就不可靠，可靠就不先进。
此种说法值得商榷，实际上不可靠的技术本身就不是先进的，当前用在多处的高频机结构IGBT整流的UPS运行现状就说明了这个问题。
有的厂家由于没有大容量高频机技术，对工频机技术加以夸大，而打击其他品牌，此举纯粹出于市场行为。
例如：
有的厂家鼓吹IGBT的故障率比可控硅的故障率高很多，但是从来没有拿出任何统计数据，只是主观臆断。
同时，工频机自身的逆变器也是采用IGBT，说IGBT故障率高，那么照此看来工频机由于逆变器使用IGBT，其可靠性也不会高到哪里。
目前IT设备输入端都有整流器，而现阶段绝大多数的IT设备供应商的输入端都会采用IGBT+PFC电路，所以UPS供电的IT负载，本身已经大量应用IGBT+PFC电路，而这种电路已经相当成熟，代表整流技术的方向。
对于IGBT整流的高频机UPS，在一个周期中有成千上万个整流电流脉冲，所以任何容量的高频机UPS在前面不加任何滤波器的情况下，它的输入功率因数都可做到0.99甚至以上，谐波电流小于5%，前置发电机的容量理论上和UPS功率相同，大大缩减了投资和占地面积等。
尤其是对市电的充分利用具有良好的经济意义和社会意义。
再者，对于诸如带非线性负载能力，对电池充电能力弱等，都可以拿出厂家产品性能数据互相比较，从指标上看，主流高频机和工频机在以上参数比较上，基本比较相近，并不能论证高频机性能就比工频机差。
9）高频机得天独厚的优点
9.1输入功率因数高
工频机UPS一般在200kVA以下的输入电路都采用了可控硅6脉冲整流，输入功率因数不超过0.8，谐波电流有30%之大。
如果前面界发电机，发电机的容量至少要3倍于UPS功率;如果是单相小功率UPS，发电机的容量至少要5倍于UPS功率。
三相UPS为了提高输入功率因数，或前面加谐波滤波器，或做成12脉冲整流、24脉冲整流整流等，即在一个周期中有12个或24个整流电流脉冲。
但同时也带来了体积庞大、结构复杂和价格上涨的问题。
而用IGBT整流的高频机UPS，在一个周期中有成千上万个整流电流脉冲，所以任何容量的高频机UPS在前面不加任何滤波器的情况下，它的输入功率因数都可做到0.99甚至以上，谐波电流小于5%，前置发电机的容量理论上和UPS功率相同，大大缩减了投资和占地面积等。
尤其是对市电的充分利用具有良好的经济意义和社会意义。
9.2、本身功耗小
在同样指标下，比如要求输入功率因数为0.95以上时，工频机UPS就必须外加谐波滤波器或改为12脉冲整流，就是说前面要增加一个设备，再加上输出变压器，就比高频机UPS多了两个环节，如图1所示。
由于此二者的影响，使得工频机UPS的效率比高频机UPS低5%。
在同样是100kW的容量时工频机UPS每年要比高频机UPS多消耗5万度电!
这在中央号召节能减排的今天具有深远意义。
图1高输入功率因数下的工频机UPS和高频机UPS结构方框图
9.3、对外干扰小
干扰有两种，一种是听得到的机械噪声，一种是听不到的电噪声，这两种噪声工频机UPS都有，形成了对设备和对人的伤害。
电噪声影响机器的稳定度，机械噪声影响人的圣心健康，降低工作效率。
而高频机UPS由于工作在20kHz以上，20kHz是人的耳朵听不到的频率，使工作环境安静下来。
又由于而高频机UPS的输入功率因数高达0.99以上，几乎是线性，所以对外干扰几乎为零。
9.4、体积小、重量轻
工频机UPS由于有了输出变压器和适应50Hz的电感电容等低频器件使得体积重量都很大。
比如某品牌200kVA工频机UPS重1380kg，而同是这一家的250kVA高频机UPS重量只有830kg。
9.5.全数字技术
工频机UPS开始是模拟技术，现在一般为数字与模拟相结合的技术。
模拟技术的可靠性要比数字技术低。
而高频机UPS技术是一种全数字化技术，不言而喻，可靠性是很高的。
（a）工频机UPS的并联方框图
（b）高频机UPS的并联方框图
图2两种UPS并联方框图
9.6.对电网的适应能力强
工频机UPS对于适应输入电压±15%的变化已很不易;而高频机UPS甚至适应输入电压±30%以上的变化，这又大大延长了电池的寿命。
9.7.能将并机环流衰减到几乎为零
工频机UPS的并联就是变压器的直接并联，而变压器的直接并联最容易产生环流，而且这个环流的路径畅通无阻，如图2（a）所示;高频机UPS由于没有输出变压器，它们的
并联如图2（b）所示，可以看出这里的环流路径上处处是障碍，小于2V的电压差根本性不成环流，而工频机UPS在此情况下就会形成很大的环流。
总之，高频机UPS在性能上不但能完全替代工频机UPS，而且还多出原来后者没有的特点。
工频机UPS为了延缓销售寿命，在其他性能指标上无法与高频机UPS抗敌，就把希望寄托在输出变压器上和工频整流器，因为高频机UPS没有这个变压器，再加之一些用户缺乏基本概念，于是就赋予了变压器很多具神秘色彩的功能。
比如这个变压器可以抗干扰、可以缓冲负载浪涌电流、可以隔直流、可以适应电网电压的冲击和变化，等等。
在这里，不要忽略电源的基本功能，UPS是电压源，电压源的基本功能就是输出电压动态性能要好，即无论负载在允许范围内如何变化，电压总是稳定的。
根本不允许变压器对负载电流进行什么“抵抗”或“缓冲”。
图3全桥逆变器UPS输出变压器原理图
有的就说这个变压器是为了在逆变器功率管损坏时隔断直流电流到负载的通路而加入的，对此说法不妨做一个探讨，看一看变压器是否有隔直流的功能。
图3示出了一般变压器的工作情况。
首先承认这种变压器是变换交流电的，如图中正弦波。
假如不用来变换交流电而是施加直流，如图2中将电池组开关S闭合，由于变压器绕组内阻相当小（近似于短路）就会在电池组和变压器初级绕组之间形成相当大的电流，一直到将电池组或导线或绕组烧断为止。
换言之，这种电源变压器不能加直流。
再看逆变器一支功率管（比如VT2）穿通（短路）的情况。
只要VT4一导通就形成对前面直流电压的短路状态，如图5所示。
强大的电流可将VT4瞬间炸毁，如果不是炸断就更危险，它可能会将电池组烧毁。
某电子公司就因如此一举烧毁72节100AH电池。
在这种情况下也是隔断了直流，同样是把自己给烧毁了。
下面就来讨论逆变器功率管损坏情况。
逆变器功率管的损坏有两种情况：
断开或穿通（短路）。
图4示出了UPS全桥逆变器一个功率管（比如VT2）开路（断开）的情况。
从图中可以看出，在此情况下的电流路径只能是一个方向的，就是说只能输出一个极性的半波，如图中所示。
一个极性就意味着含直流成分，直流电流分量在变压器初级绕组中的积累会使绕组达到饱和状态，就类似于绕组短路，形成很大的电流，以致将变压器和电池这个回路烧断为结束。
这个直流电流倒是没有进到负载端，但UPS本身烧了。
图4全桥逆变器UPS一个功率管开路情况原理图
以上两种情况都是用烧毁UPS本身的代价而保护了IT设备，这对IT设备用户是不是就算是一种福音呢?
当然不是，因为不论是烧毁UPS还是IT设备都会使系统崩溃而无法继续工作。
图5全桥逆变器UPS一个功率管穿通情况原理图
如果UPS供电设备在逆变器功率管损坏的情况下不但保护了IT设备，同时也保证了本身的安然无恙，这样的隔直流功能才有实际意义，这才是用户真正需要的。
在大功率三相UPS中这个变压器具有隔断三次谐波的能力，但必须是D-Y连接，如图6所示。
可惜的是这种连接方法消除的是线电压上的三次谐波，而相电压上的谐波不能消除，
图6UPS输出三相变压器的连接
如图6右图所示，谐波是直接耦合过去的。
再说逆变器本身产生的三次谐波几乎为零，根本不用到输出端去消除。
而负载大都用相电压220V，并且还破坏相电压波形而产生三次谐波。
因此在这里谈什么消除三次谐波好像没有实用价值。
工频机UPS输出变压器的基本功能就是变压和组成输出滤波，其他功能只是想像中的一种美好愿望。
10）工频机和高频机对比表
工频机
高频机
1
技术相当成熟可靠，已有40多年历史。
但可控硅技术仅限于容量较大的整流器，在目前应用面上，仅有机械制作，UPS，电力生产中用得较多，应用面没有IGBT+PFC广泛，其逆变器同样适用IGBT进行PWM调制，不能说明工频机可靠性比高频机高
高频整流+PFC大量应用于IT设备输入整流器，UPS，工业民用的变频器，各种电子产品整流器，技术相当成熟可靠。
IGBT功率大小，电流容量等正朝着更大方向发展
2
输出所谓隔离变压器并不能起到隔离零地电压作用，同时硅代铜是UPS发展趋势，变压器使得UPS效率降低，体积增大，体重增加
PFC电路具有电子升压功能，采用不需要配变压器
3
无论12脉冲整流还是6脉冲整流，都需要配置输入滤波器来减少谐波含量，最佳治理谐波方法是工频机+有源滤波器
PFC电路带有功率因数校正，输入功率因数高，谐波含量低
4
UPS输出变压器不能抗干扰和冲击
没有输出变压器
5
当加入滤波器后，效率只能做到92%-93%
效率能做到94.5%以上，并不需要增加滤波器
6
发电机配比2.5：
1
发电机配比1.1：
1
7
输入功率因数>0.95
输入功率因数>0.99
8
体积大，重量大
体积小，重量较小
9
由于UPS直流端一般配置32节左右电池，长延时供电时，电池节数较多，则会变成多组电池，可靠性降低同时若UPS容量较高，则电池开关需要更大容量
高频直流母线电压较高，每组电池节数较多，因此同样电池节数配置下，电池开关容量和电池组数小于工频机配置，电池线缆也能选择较小线径规格
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